Artigo_Uso de Cabos e Concreto Projetado

Ambiente Mineral – Revista Brasileira de Mineração e Meio Ambiente, Volume 2, No 1, 2011 – ISSN 2179-6203

USO DE CABOS E CONCRETO PROJETADO PARA ESTABILIZAR RAMPA EM ZONA

DE FALHA EM MINA SUBTERRÂNEA

Aarão de Andrade Lima1; Wanderley Lins de Oliveira

2; Wellington W. Moura de Alcantara

3

RESUMO – Os objetivos deste artigo são: estimar as condições de carga e dimensionar reforços usando

cabos de aço e concreto projetado em rochas brandas (squeezing rocks), por meio de métodos empíricos e

numéricos; apresentar os aspectos construtivos do sistema de suporte com cabos e concreto projetado;

interpretar a atuação do novo sistema de suporte em maciços rochosos de baixa resistência; e comparar o

método tradicional de suporte usando cambotas com o método usando cabos e concreto projetado. Uma

aplicação pioneira foi realizada em um trecho com 31 metros na zona de falha cruzada pela rampa de acesso

do nível 400 da Mina Ipueira 3. Para o caso em estudo, a combinação cabos com 6 metros de comprimento e

concreto projetado resultou em uma redução de custos em torno de 35%, e o tempo de avanço com cabos foi

reduzido pela metade, em relação aos custos e tempos previstos com o uso de cambotas.

Palavras-Chave: Tirantes, concreto projetado, rochas brandas.

USE OF CABLE BOLTS AND SHOTCRETE FOR STABILIZING RAMP IN FAULT

ZONE AT UNDERGROUND MINE

ABSTRACT – The objectives of this article are: to estimate loading conditions and to design reinforcements

using cable bolts and shotcrete in squeezing rocks, using both empirical and numerical methods; to explain

the constructive aspects of support systems using cable bolts and shotcrete; to interpret the performance of

the new reinforcement system for low resistance rock masses; and to compare the traditional support method

using steel sets with the new method using cable bolts and shotcrete. A pioneering application was made in

31 meters of the fault zone crossed by the access ramp of level 400 of Ipueira 3 Mine. For the case under

study, the combination of 6 meters cable bolts with shotcrete resulted in a costs saving of about 35%, and the

time required for opening the ramp was cut to half, in comparison with the costs expected for steel sets

support method.

Keywords: Cable bolts, shotcrete, squeezing rocks.

_________________ 1Professor Associado III, PhD., Unidade Acadêmica de Mineração e Geologia, Universidade Federal de Campina

Grande – UFCG, Rua Aprígio Veloso, 882, , Campina Grande – PB, CEP: 58109-970, e-mail: [email protected] 2Engenheiro de Minas, Superintendente de Mineração, Companhia de Ferro Ligas da Bahia – FERBASA

3Engenheiro de Minas, Gerente de Lavra e Desenvolvimento,

Companhia de Ferro Ligas da Bahia – FERBASA

mailto:[email protected]


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INTRODUÇÃO A Mina Ipueira, onde foi realizada esta pesquisa, pertence ao Grupo FERBASA, sendo localizada na

porção norte-nordeste do Estado da Bahia, no Município de Andorinha. O bem mineral produzido é a

cromita, cujos produtos comercializados são o lump (fração acima de 2 ½ polegadas) e a areia de cromita

(fração fina). A mineralização de cromo, que faz parte do Distrito Cromitífero do Vale do Jacurici, ocorre na

forma de corpo tabular com espessura variando de 6 a 8 m. O cromitito está no interior de um sill de rochas

básicas e ultrabásicas com trend norte-sul, cuja espessura situa-se em torno de 130 m (Marinho et al., 1986).

O sill está posicionado entre mármores, no topo estratigráfico, e granulitos na base. Na região das minas em

estudo essa seqüência estratigráfica encontra-se invertida, com os mármores posicionados na base e os

granulitos no topo. Segundo Marinho et al. (1986) as seguintes unidades estão presentes no sill ultramáfico:

plagioclásio-ortopiroxênio cumulatos (29 m); ortopiroxênio-espinélio cumulatos (2 m); ortopiroxênio-

olivina-espinélio cumulatos (33 m); cromita cumulatos (7 m); e olivina-ortopiroxênio-espinélio cumulatos

(60 m).

Para o desenvolvimento dos os níveis de produção nas unidades 2, 3 e 4 da Mina Ipueira é necessário

que a rampa de acesso transponha uma zona de rochas frágeis, denominada localmente zona de falha, situada

no contacto do mármore com o gabro (plagioclásio-ortopiroxênio cumulatos), cuja espessura aparente varia

amplamente de 6 a 45 m. Cambotas fabricadas com perfis metálicos (perfis I de 8 ou 10 pol.) são utilizadas

tradicionalmente para transpor a zona de rochas de baixa resistência, a qual ocorre ao longo de toda a

extensão do corpo de cromitito.

Desde a abertura da Mina Ipueira, ocorrida no final da década de 70 do Século XX, a aplicação

dessas cambotas sempre representou uma grande dificuldade operacional, devido principalmente ao tempo

necessário para montagem e soldagem dos perfis de aço no subsolo. O escoramento com cambotas não é

favorável ao reforço do maciço nas proximidades da face de avanço, o que pode vir a comprometer a

estabilidade durante a fase construtiva do acesso, e acarretar atrasos no desenvolvimento dos níveis de

produção. Além do grande tempo necessário para construção, as cambotas implicam em elevados custos de

material e de mão-de-obra, além de reduzirem a seção útil da rampa de acesso no trecho por elas sustentada.

Há cerca de três anos foram adquiridos modernos equipamentos destinados a tornar mais seguro e

eficiente o reforço das escavações subterrâneas nas minas subterrâneas da FERBASA. Com a chegada do

equipamento para colocação de cabos, Cabolt Tamroc 075, e do robô para aplicação de concreto projetado

por via úmida, Meyco Cobra, houve motivação para iniciar os estudos visando à adoção de cabos no reforço

nas rochas de baixa resistência da zona de falha. O novo método de reforço com cabos e concreto projetado

foi aplicado com sucesso na transposição de um trecho com 31 metros de comprimento na zona de falha do

Nível 400, da Mina Ipueira 3.

Os objetivos deste artigo são os seguintes: estimar as condições de carga e dimensionar reforços com

cabos e concreto projetado usando métodos empíricos e numéricos, nas condições geomecânicas da zona de

falha; apresentar os aspectos construtivos do sistema de suporte com cabos e concreto projetado que foram

adotados na zona de falha do Nível 400 da Mina Ipueira 3; interpretar a atuação do sistema de suporte com

cabos e concreto no contexto de maciços rochosos de baixa resistência; e comparar o método tradicional de

suporte usando cambotas com o novo método usando cabos e concreto projetado.

CARACTERÍSTICAS DA ZONA DE FALHA A zona de falha está posicionada dentro do gabro, no contacto com o mármore em toda a extensão da

Mina Ipueira, onde o mármore apresenta boas características geomecânicas, mas o gabro normalmente

encontra-se alterado. Em geral, quando a espessura da zona de falha cruzada pela rampa de acesso é inferior

a 8 m, os problemas de estabilidade são pequenos. O nível 320 foi lavrado completamente em 2006, o nível

360 foi lavrado recentemente, e o nível 380 está em fase final de desenvolvimento.

Durante a fase final de lavra de cada nível ocorre grande concentração de tensões na rampa de

acesso. Essa é a fase critica para a estabilidade da rampa, especialmente no trecho da zona de falha. A

distância entre o lado oeste dos realces e a zona de falha está compreendida entre 20 e 50 m, e exerce forte

influência no comportamento da rampa na fase de fechamento dos níveis.

CARACTERIZAÇÃO GEOMECÂNICA DO MACIÇO NA ZONA DE FALHA Como características macroscópicas marcantes, a rocha da zona de falha apresenta coloração verde

escuro brilhoso e é untuosa ao tato, revelando a presença dos minerais talco e clorita. O maciço rochoso da

zona de falha pode se apresentar em bandas alternadas de rochas brandas e rochas preservadas. As partes

mais brandas da rocha, que pode ser desintegrada com a mão, são escavadas com rompedores pneumáticos,


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sem uso de explosivos. As partes mais preservadas são constituídas por gabros alterados, cujas resistências

podem chegar a 50 MPa. A alternância de rochas com diferentes resistências mecânicas representa uma

dificuldade adicional para os processos de escavação e estabilização temporária na fase de avanço.

De acordo com a classificação proposta pela ISRM – International Society for Rock Mechanics

(Brown, 1981), as rochas da zona de falha se enquadram nas categorias R0 a R2, e as intercalações de gabro

alterado pertencem à classe R3. As classes de rocha com maior freqüência na zona de falha são R1 e R2,

com resistência à compressão variando entre 1 e 25 MPa.

Rochas de baixa resistência mecânica apresentam dificuldades para amostragem e para a execução

de ensaios. A especificação de corpos de prova com 54 mm de diâmetro e com comprimento três vezes o

diâmetro, determinada pelas normas, impõe dificuldades para a obtenção de corpos de prova íntegros.

Também, a realização de ensaios em rochas de baixa resistência encontra dificuldades do ponto de vista de

precisão das máquinas de teste. A rocha contida na zona de falha da Mina Ipueira é originada de

deformações de cisalhamento em regime intermediário dúctil-frágil em rochas básicas (gabros), podendo

penetrar também no mármore ou no serpentina-mármore.

A dificuldade de amostragem para ensaios de compressão levou Sampaio (2007) a utilizar o teste da

carga pontual para estimar a resistência à compressão das rochas da zona de falha, obtendo valores de Is50

entre 0,28 e 1,77. Normalmente a resistência à compressão em mega-pascal é estimada multiplicando Is50 por

um fator entre 20 e 25 (Franklin e Dusseault, 1989, p.41), mas esse fator pode variar mais amplamente entre

15 e 50, e assim não é aconselhável a aplicação do índice de carga pontual para cálculo da resistência à

compressão sem que seja feita uma correlação específica para cada rocha. Durante o teste de carga pontual

foi verificada uma zona de plastificação que distribui as cargas e com isso aumenta o valor de leitura do Is50

(Sampaio, 2007). Por isso, no caso da zona de falha em estudo, uma estimativa da resistência à compressão

deverá ser obtida usando o valor inferior do fator multiplicativo Is50, igual a 15, resultando na faixa de 4 a 26

MPa, com o valor médio de 15MPa, que será utilizado na presente pesquisa.

Foi feito um furo de sonda com diâmetro NQ para investigar o maciço rochoso no trecho previsto

para a transposição da zona de falha pela rampa do nível 400. A inclinação do furo com a horizontal é de 12

graus ascendente. Através do furo foi observado que a zona de falha compreende trechos de rocha cisalhada,

com intercalações de gabro. Com a análise dos testemunhos foi obtido um RQD médio de 24% no trecho do

furo de 0 a 49,15 m.

Para aplicar métodos empíricos ou numéricos de dimensionamento de sistemas de suporte é

necessário que o maciço rochoso seja classificado. Será utilizado o sistema de classificação geomecânica

escandinavo proposto por Barton et al. (1974), segundo o qual o índice Q de qualidade do maciço é

calculado por:

SRF

Jw

Ja

Jr

Jn

RQDQ (1)

Os valores médios dos parâmetros para o maciço na zona de falha, incluindo tanto as rochas cisalhadas

quanto as intercalações de gabro, são os seguintes:

RQD = 24% (A)

Jn = 4,0 (D) - dois sistemas de juntas

Jr = 0,5 (G) - juntas estriadas planas

Ja = 6,0 (G) – recobrimento com minerais argilosos

Jw = 1,0 (A) – escavação seca

SRF = 5,0 (O) – estado de plastificação médio.

Aplicando os valores numéricos dos parâmetros referentes à rocha da zona de falha na equação (1), tem-

se: 1,05

1

6

5,0

4

24Q ; o que corresponde ao limite entre maciço rochoso muito fraco e maciço

extremamente fraco (Barton, 2002).

O parâmetro N, útil nas aplicações empíricas (Singh et al., 1997), desconsidera os parâmetros ligados a

tensões, sendo obtido usando a equação (1) omitindo SRF. Para o caso da zona de falha N assume o valor

médio: 5,016

5,0

4

24N .

APLICAÇÃO DE MÉTODOS EMPÍRICOS Métodos empíricos são largamente utilizados para o projeto de sistemas de suporte de túneis,

permitindo avaliar as condições do maciço em torno das aberturas subterrâneas e estimar as pressões a serem


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impostas aos elementos de estabilização (Barla, 2001). O assunto é extenso, e será tratado aqui apenas em

seus aspectos essenciais.

Inicialmente será verificado o estado de plastificação do maciço na zona de falha, e em seguida serão

estimadas as cargas nos elementos de suporte.

O comportamento de maciços em rochas de baixa resistência pode ser caracterizado como em estado

plástico ou não-plástico, dependendo do campo de tensões em torno das escavações e das características das

rochas. As rochas de baixa resistência são também denominadas rochas brandas, ou frágeis. O estado

plástico (squeezing rock) é caracterizado por grandes deformações e grandes pressões das rochas nos

elementos de suporte e reforço.

O estado plástico nos maciços rochosos é também associado com deformações dependentes do

tempo, e por isso de uma forma mais rigorosa deveria ser denominado elasto-visco-plástico. Quando as

escavações são criadas ocorre uma deformação inicial de natureza elástica; com o passar do tempo as

deformações aumentam na periferia das aberturas e a zona do maciço em estado plástico se expande da

parede da escavação para o interior do maciço. As tensões na interface entre a zona elástica e a zona plástica

diminuem, e eventualmente o maciço rochoso pode atingir o estado de equilíbrio estacionário. Os elementos

de suporte e reforço são gradualmente tensionados, e dependendo da rigidez e da capacidade de carga,

podem equilibrar as tensões transferidas pelo maciço, ou podem entrar em colapso. As definições de

plastificação (squeezing) propostas por diversos autores (Barla, 2001), contêm como fatores essenciais

grandes deformações e dependência do tempo.

Através de observação por mais de duas décadas, constata-se que o maciço rochoso na zona de falha

na Mina Ipueira apresenta os componentes de plastificação: grandes pressões nos elementos de suporte

(cambotas), grandes deformações e dependência do tempo. Existem diversos critérios empíricos para

verificação de plastificação em maciços relacionados a rochas brandas (Barla, 2001). Foi utilizado nesta

pesquisa o critério de Goel et al. (1995). O método de Goel et al. (1995) permite determinar o grau de

plastificação e estimar ainda a convergência em função do vão da abertura, conforme condições expressas na

Tabela 1 (Singh et al., 1997).

Tabela 1 - Condições para Plastificação do Maciço Rochoso.

Condições do maciço Correlação geral* Correlação Rampa

400

Convergência

(m)

1. Auto-sustentável H < 23,4 N0,88

B-0,1

e H < 1000 B-0,1

H < 10,9

2. Não-plástico 23,4 N0,88

B-0,1

< H < 275 N0,33

B-0,1

10,9 < H < 188,1

3. Plastificação amena 275 N0,33

B-0,1

< H < 450 N0,33

B-0,1

188,1 < H < 307,8 0,01 a 0,03B

4. Plastificação média 450 N0,33

B-0,1

< H < 630 N0,33

B-0,1

307,8 < H < 430,9 0,03 a 0,05B

5. Plastificação severa H > 630 N0,33

B-0,1

H > 430,9 > 0,05B *B é o vão da rampa em metros, igual a 4,5.

Nos maciços em regime plástico acumulam-se cargas expressivas sobre os elementos de suporte ao

longo do tempo, e por isso tradicionalmente são usados os escoramentos pesados, que nas minas consistem

em arcos de aço (cambotas). Os arcos de aço atuam de forma passiva, ou seja, permitem grandes

deformações no maciço circundante, antes de desenvolverem reações estabilizantes na periferia das

aberturas. Diversas equações empíricas foram desenvolvidas para estimar a pressão de longo prazo que os

maciços em estado plástico exercem sobre os elementos de suporte (Singh et al., 1997). Para o cômputo da

pressão será utilizada a equação de Goel et al. (1995), conforme abaixo:

]10][30/)([33,01,06,0 5,53/ NBH

sq Nfp (2)

Onde psq é a pressão em estado plástico em mega-pascal e f(N) é um fator que depende do nível de

plastificação do maciço. Para o caso de plastificação média f(N) é igual a 0,8 (Singh et al., 1997), e o valor

de psq é obtido por: ]10][30/8,0[33,01,06,0 5,45,53/5,4400 x

sqp = 0,263 MPa psq = 26.818 Kg/m2.

Em maciços no estado plástico médio ou severo, as pressões exercidas nas laterais e no teto dos

suportes dependem do estado de tensões in situ (Singh et al., 1997), e assim serão consideradas iguais ente si

nesta pesquisa.

Com base na classificação geomecânica e na estimativa das pressões exercidas nos elementos de

suporte é possível fazer o dimensionamento empírico dos elementos de suporte necessários para estabilizar a

rampa.


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Para utilizar o diagrama de Barton (2002) é necessário primeiro calcular o vão equivalente da escavação,

que é obtido dividindo o vão pelo fator de suporte, ESR, o qual depende da vida útil prevista para a rampa.

No caso particular em análise trata-se de escavação de mina permanente, com vida útil em torno de cinco

anos, portanto o ESR deve ser igual a 1,6 (Barton et al., 1974). Considerando o vão 4,5 m dividido por 1,6

obtém-se um vão equivalente igual a 2,8, que pode ser arredondado para 3 m. Entrando com Q = 0,1 e com o

vão equivalente igual a 3 metros no diagrama da Figura 1, tem-se o seguinte tipo de suporte:

Figura 1 - Definição de espessura de concreto e espaçamento de tirantes usando o índice Q.

Categoria de suporte 6.

Concreto projetado com fibras, com espessuras entre 9 e 12 cm.

Cavilhas (tirantes) espaçadas de 1,3 m, caso seja considerado o efeito do concreto projetado, ou menos

de 1,0 m, caso seja desprezado o efeito do concreto projetado.

Como medida de segurança, no dimensionamento de sistemas de suporte em minas subterrâneas em

condições severas de tensões o efeito do concreto projetado não deve ser considerado ao dimensionar as

cavilhas, tendo em vista que as irregularidades das paredes das escavações induzem esforços de flexão na

casca de concreto. No caso de minas é ponderada também a possibilidade de deformações excessivas durante

a fase de lavra, capazes de romper a casca de concreto projetado e gerar condições não-seguras. Assim o

espaçamento a ser adotado no caso específico da rampa em estudo deve ser em torno de 1 m.

Considerando que a capacidade de carga das cordoalhas de aço é em trono de 22.000 Kg, o espaçamento

de 1 m2 é capaz de promover uma pressão média de 22.000 Kg/m

2, que é compatível com o valor 26.818

Kg/m2 previsto com o uso da equação (2).

O comprimento das cavilhas recomendado pelo método de Barton (2002) é:

ESR

BL

15,00,2

6,1

5,415,00,2

xL = 2,4 m (3)

Esse comprimento é compatível com o valor adotado na Mina Ipueira para as cavilhas. Entanto, em

cabos os comprimentos adotados no reforço de rampas e de galerias em condições de plastificação variam

entre 5 e 6 m, conforme será mostrado adiante. Assim, constata-se que a equação (3) não é suficiente para

definir o comprimento dos cabos nas situações em que são necessários suportes pesados, tendo em vista que

a qualidade do maciço e as condições de carga não são levadas em consideração naquela equação.

Tendo em vista que os métodos empíricos não foram ainda generalizados para o caso de reforço com

cabos em rochas em estado plástico, é necessária a aplicação de métodos numéricos de análise de tensões

para estudar o efeito do comprimento dos cabos e da espessura do concreto projetado na estabilidade das

aberturas, sendo esse o escopo da próxima seção.


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APLICAÇÃO DE MÉTODO NUMÉRICO No projeto de sistemas de suporte e reforço para aberturas subterrâneas os métodos numéricos são

um importante complemento dos métodos empíricos, servindo também para verificação da consistência dos

resultados. No caso específico de projeto de cabo em rochas plastificadas, os métodos numéricos permitem

estimar a espessura da zona do maciço em estado plástico, e conseqüentemente orientam na escolha do

comprimento dos cabos.

Foi utilizado o programa de elementos finitos Phase2 (Rocscience, 2005) para cálculo de tensões,

fatores de segurança e deslocamentos em um modelo bi-dimensional da rampa de acesso. Três classes de

modelos foram executados: rampa sem suporte, com reforço de cabos, e com reforço de cabos e suporte de

concreto projetado. Inicialmente são descritos os dados de entrada necessários à construção dos modelos e

em seguida são apresentados os resultados.

Os dados de entrada necessários para definição dos modelos consistem em: 1) propriedades

mecânicas do maciço; 2) estado de tensões naturais; 3) seqüência de aplicação das cargas, ou seqüência

construtiva; e 4) geometria das escavações.

As propriedade mecânicas para o critério de Hoek-Brown (Hoek et al., 1995) são calculadas no

programa RocLab (Rocscience, 2007) a partir do GSI – Geological Strength Index, da resistência à

compressão da rocha intacta e do parâmetro mi, do critério de Hoek-Brown. O GSI é obtido a partir do índice

Q’ (Hoek et al., 1995), conforme abaixo:

Ja

Jr

Jn

RQDQ ' 5,0

6

5,0

4

24' Q (4)

44'ln9 QGSI 38445,0ln9 GSI

A resistência à compressão da rocha na zona de falha será assumida igual a 15 MPa, conforme

discutido previamente, e o parâmetro mi será assumido igual a 10, correspondendo a rochas de baixo atrito

(Rocscience, 2007). Aplicando os dados acima no programa RocLab obtêm-se os seguintes dados de entrada

para o programa Phase2: mb = 1.09232 (parâmetro m para o maciço); s = 0.00101905 (parâmetro s para o

maciço); Erm = 1044 MPa (módulo de deformabilidade do maciço).

Ao coeficiente de Poisson foi atribuído o valor típico 0,3. O valor residual de s foi assumido como a

metade do valor de pico, e o valor residual de mb foi mantido igual ao valor de pico, segundo comportamento

característico das rochas de baixa resistência (Hoek, 2007).

Usando os dados de Lima et al. (2006), as propriedades do concreto projetado adotadas no modelo

numérico foram as seguintes: resistência à compressão 30 MPa; resistência residual à compressão 5 MPa;

módulo de elasticidade 20.000 MPa; espessura 15 cm; e regime plástico.

Para os cabos foram adotadas as seguintes propriedades: tipo cordoalha simples com 15 mm de

diâmetro; diâmetro do furo 51 mm; modulo de elasticidade 200.000 MPa; resistência à tração 220 kN;

espaçamento entre seções 1m; fator água cimento 0.35; e uso de placa de aço na extremidade do cabo.

O carregamento do modelo foi por meio de tensões naturais, sendo as três componentes igualadas ao

efeito gravitacional em uma profundidade de 400 m, com peso específico da rocha sobrejacente 0,027

MN/m3; resultando em 10,8 MPa. Para simular o carregamento gradual que é transferido pelo maciço aos

elementos de suporte, a carga resultante das tensões naturais foi aplicada em três estágios, da seguinte forma:

Estágio 1: Modelo sem escavação e sem suporte, 50% das tensões.

Estágio 2: Abertura da rampa, colocação dos cabos e concreto projetado, e aplicação de mais 25% das

tensões.

Estágio 3: Aplicação de mais 25% das tensões, completando o carregamento.

Utilizando as propriedades mecânicas e os carregamentos descritos na seção anterior, foi construído

um modelo elasto-plástico com 1.936 elementos triangulares de 6 nós. A rampa foi modelada como abertura

4,5 por 4,5 m com cantos superiores arredondados. Os três tipos de modelos executados foram os seguintes:

1) rampa sem suporte, 2) rampa com reforço de cabos apenas, e 3) rampa com suporte de concreto projetado

mais reforço com cabos.

Os fatores de segurança e a distribuição dos esforços axiais nos cabos são mostrados na Figura 2

para o caso do modelo com cabos e concreto projetado. Verifica-se que no estágio de carga 3 os cabos nos

pontos centrais das paredes, teto e piso se encontram rompidos até os trechos médios, ao passo que os demais

cabos têm ruptura apenas nas proximidades dos colares. As cargas máximas dos cabos, que correspondem ao

chamado ponto neutro (Li & Stillborg, 1999), ocorrem a cerca de 3 m das faces das aberturas. Na Figura 2

observam-se também os locais de ruptura da casca de concreto projetado, assinalados na cor vermelha.


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Na Tabela 2 são dadas as espessuras das zonas de plastificação para os três modelos nos estágios de

carga 2 e 3, que correspondem respectivamente a 75% e 100% da aplicação das tensões. Observa-se que a

zona de plastificação situa-se em torno de 5 m para os dois modelos sem concreto projetado no estágio 3.

Para o modelo com concreto projetado no estágio 3 a zona de plastificação fica limitada a 3,76 m. Nos três

modelos há uma expansão em torno de 1,5 m na zona plastificada ao passar do estágio 2 para o estágio 3.

Tabela 2 - Espessuras das zonas plásticas e convergências previstas com os modelos numéricos.

Modelo Espessura zona plástica (m) Convergência das laterais (m)

Estágio 1 Estágio 2 Estágio 1 Estágio 2

1. Sem suporte 3,60 5,07 0,25 0,41

2. Cabos 3,44 5,05 0,25 0,41

3. Cabos e concreto 3,02 3,76 0,22 0,41

Também na Tabela 2 são dadas as convergências nos pontos médios das paredes laterais das rampas,

para os dois estágios dos três modelos. No estágio 2 as convergências são da ordem de 0,25 a 0,22 m e no

estágio 3 passam a 0,41 m.

(a) estágio de carga 2

(b) estágio de carga 3

Figura 2 - Fatores de segurança nos modelos numéricos.

Conforme anteriormente citado, as previsões de convergência por métodos empíricos situam-se entre

0,13 e 0,22 m (Tabela 1). O maior valor das convergências obtidas no método numérico é devido à

incorporação de deslocamentos elásticos que ocorrem imediatamente após a abertura da rampa, os quais não

podem ser mensurados na prática. Por meio de modelo numérico tri-dimensional é possível remover a

componente elástica. Considerando essa ressalva, observa-se que as convergências do segundo estágio de

carga (0,22 a 0,25 m) estão dentro da magnitude prevista pelo método empírico. A calibração do modelo via

comparação com as convergências que estão sendo medidas é objeto de uma pesquisa em andamento.

Por meio dos modelos numéricos constata-se que os cabos devem preferencialmente estar ancorados

a mais de 5 m, fora da zona de plastificação do maciço, sendo indicado o comprimento de 6 a 7 m. Segundo

Yumlu e Bawden (2004) cabos com 6 m de comprimento são usados em uma mina na Turquia desenvolvida

em rochas brandas.

ASPECTOS CONSTRUTIVOS A malha de cabos adotada compreende 5 cabos no teto e 3 cabos nas laterais e no piso totaliza 14

cabos por seção, resultando com isso um espaçamento no teto igual a 0,9 m e um espaçamento de 1,5 m nas

laterais e no piso. As seções de cabos são colocadas em intervalos de 1 m.

O modo de avanço na zona de falha alterna entre o uso de explosivos e a desagregação a frio,

dependendo da seqüência de rochas preservadas e de rochas decompostas. Quando são interceptados pacotes

de rocha muito alterada o avanço é reduzido de 4 para 2 m e são usadas cavilhas (ou tirantes) frontais no


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padrão enfilagem, para evitar o escoamento da rocha na parte não suportada do teto, no modo de ruptura

denominado running ground. Nessa situação a água utilizada para a perfuração é reduzida para evitar a

desagregação do maciço. Uma camada inicial de concreto projetado é aplicada de imediato no teto e nas

laterais, e até mesmo na face frontal de avanço, naqueles maciços excepcionalmente frágeis. No teto são

colocadas 5 cavilhas com 3 m de comprimento, do tipo vergalhão de aço CA 50 com ¾ de polegada de

diâmetro, ancoradas com pasta de cimento e água.

Vencido o desafio de avançar sem que ocorra o escoamento da rocha, inicia-se o processo de

estabilização permanente. É aplicada uma camada de concreto projetado, contendo fibras de aço, com

espessura entre 8 e 10 cm.

Em seguida são colocados os cabos de aço, tipo cordoalha de sete fios e diâmetro de 15 mm, em

furos com 51 mm de diâmetro, perfurados com pouca água no caso de rochas muito alteradas Depois os

cabos são ancorados nas paredes das rampas utilizando placas de aço quadradas 15 cm por 15 cm, com 7 mm

de espessura, fixadas por meio de cunhas cônicas (Hutchinson e Diederichs, 1996). São fixadas telas de aço

entre as placas e a primeira camada de concreto projetado, contribuindo para uma distribuição uniforme

sobre as paredes das escavações das cargas suportadas pelos cabos. Como medida subsidiária para aumentar

a segurança, no evento de ocorreram grandes deformações, pedaços de cordoalha foram fixados às placas,

para posterior incorporação ao concreto projetado.

Para finalizar o processo de estabilização do teto e das laterais, é aplicada uma última camada de

concreto projetado com fibras, com espessura de 10 a 8 cm, completando uma casca com espessura variando

de 16 a 20 cm de concreto projetado. O reforço aplicado aos pisos consiste em uma laje com 25 cm de

espessura de concreto moldado, armado com uma grelha de aço centralmente posicionada, composta por

ferros CA-50 de ½ pol. espaçados a cada 25 cm. Por meio de placas de aço, a grelha é presa aos cabos já

previamente ancorados ao maciço rochoso do piso.

A seqüência seguida para estabilizar as rampas na zona de falha permite que o maciço rochoso alivie

as tensões de natureza elástica antes da colocação dos elementos definitivos de suporte. Bem próximo à

frente de avanço são colocadas as cavilhas frontais, a camada de concreto inicial e as cavilhas. Esses

elementos são destinados a garantir a segurança temporária enquanto são colocados os elementos definitivos.

Em seguida os tetos e as laterais são reforçados com cabos e concreto projetado. A casca de concreto, aberta

até então no segmento do piso, permite ainda algumas deformações remanescentes. O fechamento da casca

com a concretagem do piso confere rigidez ao sistema, em uma fase em que as deformações de maior

magnitude já ocorreram.

A construção do trecho de 31 m da rampa 400-3 reforçado com cabos e concreto projetado teve

início em setembro de 2006 e foi concluída em março de 2007, quando da concretagem da laje do piso. As

convergências estão sendo medidas, desde a concretagem do piso, com valores abaixo de 6 cm até o

presente. Não foi detectada ainda a formação de trincas expressivas no concreto projetado

COMPARAÇÃO ENTRE CABOS / CONCRETO PROJETADO E CAMBOTAS Enquanto as cambotas atuam de forma passiva, permitindo a relaxação do maciço, os cabos atuam

reforçando a rocha adjacente à escavação. Assim os cabos confinam o maciço rochoso e possibilitam a

mobilização da resistência de atrito inerente à natureza das rochas. Do ponto de vista estrutural as cambotas

são submetidas a esforços de compressão e flexão, e com isso se tornam sujeitas a flambagem, o que acarreta

uma redução drástica na resistência. Para evitar a flambagem podem ser utilizados os arcos com elementos

limitadores de carga máxima (Hoek, 2007). Por outro lado, os cabos são submetidos principalmente à tração,

o que maximiza o potencial de reforço desse tipo de elemento estrutural.

Entretanto, os cabos não podem ser utilizados em maciços muito alterados, nos quais se torna

impossível manter a estabilidade dos furos e conseguir ancoragem efetiva. Também a presença excessiva de

água pode impedir o uso de cabos.

Do ponto de vista de custos, para o caso da rampa do Nível 400 foi constatado que a combinação

cabos e concreto projetado resultou em uma economia de cerca de 35% em relação aos custos previstos para

cambotas. A principal vantagem dos cabos está relacionada ao tempo de instalação dos elementos de suporte,

que é reduzida pela metade em ralação às cambotas.

Um ponto que merece destaque é a necessidade de promover o suporte do piso nos maciços de

qualidade muito inferior, tanto no suporte com cambotas, quanto no reforço com cabos. Normalmente a

instabilidade no piso leva ao fechamento das laterais e à redução de seção nas rampas, principalmente na fase

final de lavra do nível, quando as concentrações de tensões aumentam. Em caso de necessidade de reforço

adicional, na fase final de lavra do nível, o sistema cabos / concreto projetado permite que seja feita a


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colocação de cabos suplementares e re-aplicação de concreto projetado, como vantagem adicional em

comparação com o método de suporte com cambotas.

CONCLUSÕES No nível 400 da Mina Ipueira 3 o maciço rochoso na zona de falha é constituído por uma seqüência

de rochas cisalhadas e gabro parcialmente alterado. O RQD do maciço determinado através dos testemunhos

de um furo sub-horizontal foi de 24%. A aplicação do sistema de classificação geomecânica de Barton et al.

(1974) resultou em Q igual a 0,1, correspondente a maciço muito fraco a extremamente fraco. A aplicação do

sistema de Barton (2002) para dimensionamento de suporte indicou o uso de concreto projetado com fibras

na espessura 9 a 12 cm e cavilhas com 2,40 m de comprimento espaçadas de 1,3 m, se for considerado o

efeito do concreto projetado, ou menos de 1 m, se for desprezado o feito do concreto projetado.

A utilização do método empírico de Goel et al. (1995) indicou que o maciço se encontra em estado

plastificado de grau médio (moderate squeezing), com previsão de pressões de longo prazo sobre o suporte

próximas de 27 t/m2. O estado plastificado do maciço é caracterizado como indicativo de grandes

deformações, e de pressões elevadas que se manifestam ao longo do tempo (Barla, 2001). As convergências

previstas pelo método de Goel et al. (1995) foram entre 0,13 e 0,25 m.

Foi utilizado o programa de elementos finitos Phase2 para estudo de três modelos bi-dimensionais

em regime elasto-plástico: 1) rampa sem suporte; 2) rampa reforçada com cabos com 6 m de comprimento; e

3) rampa reforçada com cabos juntamente com concreto projetado com 15 cm de espessura, em casca

fechada. A espessura da zona de plastificação no maciço prevista pelos modelos sem suporte e reforçado

com cabos foi em torno de 5 m, enquanto que no modelo com cabos e concreto projetado foi de 3,7 m. Por

meio dos modelos numéricos constata-se que os cabos devem preferencialmente estar ancorados a mais de 5

metros, fora da zona de plastificação do maciço, sendo indicado o comprimento de 6 a 7 m. Segundo Yumlu

e Bawden (2004) cabos com 6 m de comprimento são usados em uma mina na Turquia desenvolvida em

rochas brandas. Verificou-se que os comprimentos previstos para tirantes pelo método de Barton (2002) não

são suficientes em caso de plastificação do maciço rochoso, os quais exigem suporte pesado. Com o

aplicação de método numérico foi constatado também que a espessura da casca de concreto projetado deverá

ser superior a 15 cm, portanto maior que o previsto com o uso do diagrama do sistema Q (Barton, 2002), que

foi entre 9 e 12 cm.

As convergências totais previstas pelos modelos numéricos com aplicação de 100% do carregamento

foram de 0,41 m, mais os menos duas vezes o valor máximo previsto pelo método empírico de Goel et al.

(1995). Essa discrepância foi interpretada como decorrente das deformações elásticas instantâneas embutidas

nos modelos numéricos. É necessária a aplicação de modelos tridimensionais para simular efeito do avanço

da escavação e remover as convergências elásticas instantâneas, e assim possibilitar uma comparação mais

realista entre os métodos empíricos e numéricos. A modelagem tridimensional, juntamente com a calibração

do modelo via comparação com as convergências que estão sendo medidas são objeto de uma pesquisa em

andamento.

Uma aplicação pioneira de suporte com cabos e concreto projetado foi realizada em um trecho com

31 m na zona de falha cruzada pela rampa do nível 400 de Ipueira 3. Um trecho inicial com 11 m de

comprimento foi suportado com cambotas de aço.

Nas zonas de maciço mais pobre foi feita a estabilização temporária com concreto projetado,

cavilhas frontais e cavilhas no teto. A etapa de suporte permanente envolveu a aplicação de uma comanda de

concreto projetado com fibra com 8 a 10 cm de espessura. Em seguida foram instalados os cabos com 6 m de

comprimento, num total de 14 por seção, sendo 5 no teto, 3 nas laterais e 3 no piso. O espaçamento entre as

seções foi de um metro. As pontas dos cabos foram terminadas com placas e cunhas cônicas de aço, sob as

quais foi colocado um pedaço quadrado de tela de aço com 1 m de lado. Após a colocação dos cabos e das

placas de aço foi aplicada uma camada de concreto projetado com fibras de aço, com espessura entre 8 e 10

cm, completando uma casca com espessura entre 16 e 20 cm. O reforço aplicado aos pisos consiste em uma

laje com 25 cm de espessura de concreto moldado, armado com uma grelha de aço centralmente posicionada

em relação à espessura da laje, composta por ferros CA-50 de ½ pol. espaçados a cada 25 cm.

A seqüência seguida para estabilizar as rampas na zona de falha permite que as tensões de natureza

elástica no maciço rochoso sejam aliviadas antes da colocação dos elementos definitivos de suporte. Bem

próximo à frente de avanço são colocadas as cavilhas frontais, a camada de concreto inicial e as cavilhas no

teto. Esses elementos são destinados a garantir a segurança temporária enquanto são colocados os elementos

definitivos. Em seguida os tetos e laterais são reforçados com cabos e concreto projetado. A casca de

concreto temporariamente aberta no piso permite ainda algumas deformações remanescentes. O fechamento


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da casca com a concretagem do piso confere elevada rigidez ao sistema, em uma fase em que as deformações

de maior magnitude já ocorreram.

Do ponto de vista de custos, para o caso da rampa do Nível 400 foi constatado que a combinação

cabos e concreto projetado resultou em uma economia de cerca de 35% em relação aos custos esperados para

cambotas. A principal vantagem dos cabos está relacionada ao tempo de instalação dos elementos de suporte,

que é reduzida pela metade em ralação às cambotas. Essa redução do tempo de construção é decorrente

também da melhor integração das operações de colocação de cabos dentro das operações rotineiramente

executadas na Mina Ipueira, em comparação com as operações de colocação e soldagem de perfis metálicos.

A construção do trecho de 31 m da rampa 400-3 reforçado com cabos e concreto projetado teve

início em setembro de 2006 e foi concluída em março de 2007, quando da concretagem da laje do piso. As

convergências estão sendo medidas em, desde a concretagem do piso, com valores abaixo de 6 cm até o

presente Não foi detectada ainda a formação de trincas expressivas no concreto projetado

Até o presente, o sistema cabos e concreto projetado se apresenta como uma alternativa vantajosa

para substituir as cambotas de aço na transposição da zona de falha. O acompanhamento do comportamento

do trecho estabilizado na zona de falha da rampa do Nível 400 permitirá a verificação da viabilidade desse

método a longo prazo, e principalmente durante o acúmulo de tensões que ocorrerá na fase de fechamento do

nível.

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